生物质燃烧机炉膛结构优化设计＊

曲凯，徐波，郑建华，刘坤

生物质燃烧机炉膛结构优化设计＊

曲凯，徐波，郑建华，刘坤

（临沂大学 机械与车辆工程学院，山东 临沂 276005）

针对生物质颗粒燃烧率低的问题，分析了燃烧机的工作原理，根据影响生物质燃烧率的因素，改进了炉膛的结构，采用流体仿真软件，模拟了不同工况下生物质颗粒的燃烧过程，确定出高燃烧率的炉膛的几何尺寸，为生物质燃烧机的生产提供理论依据。

生物质；燃烧机；炉膛；燃料

1 引言

生物质燃料是对农林废弃物的再利用，可以将农林废弃物直接或再加工后进行燃烧，是一种环保型可再生的低碳能源，它具有污染小、再生性、储量大、清洁环保的特点，已经成为世界上第四大能源。

生物质燃烧机是以生物质颗粒为燃料，广泛应用在锅炉、工业窑炉、干燥设备等作为热源供给，生物质燃料在燃烧机中的燃烧是一种剧烈的放热和吸热理化反应。

生物质燃料在燃烧过程中由于各种因素的影响导致燃烧不充分、燃烧效率低、热量流失比例高等问题，本项目通过研究生物质燃料的燃烧及氮氧化合物排放特性，分析其燃烧机理与特性，并根据生物质燃烧机的工作原理，提高燃料的燃烧率，对传统的生物质燃烧机的炉膛结构进行改造，设计一种新型的生物质燃烧机的炉膛结构，增加燃烧所需的空气量；采用流体仿真软件模拟生物质燃料在炉膛内的燃烧过程，确定炉膛内温度分布图，根据模拟仿真结果，对炉膛的结构尺寸进行优化设计，以达到最佳输出热量，为生物质燃烧机制造企业提供参考依据。

2 生物质燃烧机结构及工作原理

生物质燃烧机由于其燃烧的燃料是生物质颗粒，具有独特的燃烧特性。燃烧机的主要组成部分为燃料输送机构、送风系统、燃烧系统、控制系统和排渣机构等，生物质燃烧机的结构如图1所示。

图1 生物质燃烧机的结构

生物质燃烧机的工作过程是颗粒经送料机构送入炉膛，经高温点火，颗粒在炉膛中燃烧，释放出火焰和热量，同时送风系统不断向炉膛中输送空气，生物质颗粒在富氧状态下燃烧。由于送风系统向炉膛中输送大量的空气，使得炉膛中的生物质颗粒处于悬浮状态并且向前流动，从而保证燃料完全燃烧。

本项目与山东省临沂市木子原热能科技有限公司合作，在其研发的生物质颗粒燃烧机基础上，对燃烧机的燃烧性能进行优化，提高生物质颗粒的燃烧效率，主要针对影响燃烧效率的燃烧机炉膛进行分析，改善炉膛的结构，通过颗粒燃烧仿真优化其尺寸，进一步提高颗粒的燃烧效率。

3 生物质燃烧机炉膛优化设计

生物质颗粒燃烧主要在炉膛内进行，炉膛的结构将极大影响颗粒的燃烧效率，如果炉膛内的氧气含量不足或炉膛的尺寸过大，颗粒都将产生不完全燃烧，导致热量供给不达标。为了保证颗粒在炉膛内充分燃烧，增加空气供给量，首先对炉膛的结构进行了改进，将炉膛设计成具有内壁和外壁的夹层结构，形成送风通道，外壁与外界隔离，内壁开有通风孔，空气在一定的压力下通过通风孔进入炉膛。炉膛外形结构如图2所示。

图2 炉膛的外形结构图

要使燃料在炉膛内充分燃烧，需对通风量、炉膛直径和炉膛长度进行优化设计，使用流体仿真软件对生物质颗粒在炉膛内的燃烧过程进行仿真，仿真结果显示炉膛内温度分布情况。初步设定炉膛长度为1 000 mm，炉膛直径285 mm。在流体仿真软件中建立炉膛模型并进行网格划分，如图3和图4所示。

图3 仿真软件中的炉膛模型

图4 结构化网络

在仿真过程中，采用非预混模型模拟生物质颗粒的燃烧过程，选用标准k-双方程湍流模型来模拟湍流运动，辐射模型采用P1模型，通风量为3.15 Nm3/kg。不同长度下炉膛内颗粒燃烧过程中温度分布如图5所示，温度高点处于炉膛中部。调整炉膛的长度为1 200 mm和800 mm，由仿真结果可知，当长度为1 200 mm时，炉膛内温度分布扩散，不集中，当长度变短为800 mm，温度比较集中，主要分布于炉膛的出口位置。因此，800 mm为炉膛合理长度尺寸。

图5 不同长度下温度分布情况

在炉膛长度为800 mm的条件下，改变炉膛的直径，进行燃烧过程仿真。仿真中将炉膛的直径修改为270 mm，将其与原始直径285 mm相比较，仿真结果如图6所示。通过温度分布对比可知，直径为270 mm炉膛内火焰局部高温区域小于280 mm，但温度速度流场分布更加均匀，火焰喷射射程远，供火力度强。

图6 不同直径下温度分布情况

4 结论

作为节能环保型的生物质燃烧机，燃烧效率是衡量其性能的重要指标之一，如何提高燃烧机的燃烧效率成为生物质燃烧机设计的重点内容。影响颗粒燃烧效率的因素主要有空气量、炉膛的结构、颗粒的特性等，本文主要对炉膛结构的优化设计进行研究，对在一定通风量下不同炉膛长度和直径的颗粒燃烧过程进行了流体仿真，得出燃烧过程温度分布图，通过分析火焰燃烧的温度分布位置，进一步明确了颗粒最佳燃烧情况下的炉膛的长度和直径，为生物质燃烧机的设计和生产提供理论支持。

［1］罗娟，侯书林，赵立欣，等.生物质颗粒燃料燃烧设备的研究进展［J］.可再生能源，2009，27（6）：90-95.

［2］田仲富，王述洋，曹有为.生物质燃料燃烧机理及影响其燃烧的因素分析［J］.安徽农业科学，2014，42（2）：541-543.

［3］郭军华，高海宇.基于Fluent的预混燃烧分析［J］.现代制造技术与装备，2017（3）：24-28.

TK229.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.048

2095－6835（2020）13－0119－02

山东省大学生创新训练项目（编号：201910452065）

曲凯（1999—），男，山东青岛人，本科，研究方向为机械设计制造及自动化。

徐波（1975—），男，山东青岛人，研究生，讲师，研究方向为机械设计。

〔编辑：张思楠〕